枣庄老城区浅层采矿塌陷地质灾害治理

2018-04-14王凡勇

地质装备 2018年4期

王凡勇

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁 272100)

0 引言

作为山东省乃至中国最早的煤炭开采地区，枣庄煤炭开发有着悠久的历史。作为全国矿产资源枯竭型城市，随着城市化发展，城区不断扩大，部分城区已扩展到采煤塌陷区，这样的地区对城市建设存在巨大的安全隐患。因此，探明采煤区情况，并进行地质灾害防治方法的研究就显得更加迫切。笔者及同事长期在鲁南煤炭开采地区进行工程地质环境地质研究工作，多次进行了浅层采煤区地质灾害治理工作。实践证明，综合多种方法进行治理是成功的技术方法。

接受治理任务的场区为当地开发公司项目，购得此地块后了解到本区为老采煤区，是废弃的煤矿开采区，20世纪50年代建井，80年代停产，后经私营企业无规律开采浅部煤层，在与本工程直接有关的地基压缩层内可能存在巷道和采煤形成的空洞。该区已经停采30多年，因年代久远无资料可查，经过对本地区区域地质资料的分析，由于本区煤层较浅(约为100 m以浅)，经研究决定以高密度电法物探、工程地质钻探、岩土测试、综合分析相结合的方式进行勘察。根据勘查结果，对地表浅部的软弱地层进行水泥土搅拌法复合地基处理，深部注入水泥砂浆的方式综合治理，确保了工程的安全。

1 区域地质与水文地质条件基本情况

枣庄市市中区文化西路北侧交通便利，位于枣庄老城区西部，该区断裂构造发育。按大地构造单元划分属鲁西隆起区的东南部，区域构造以断裂构造为主，北东向断裂发育，对场区有较大控制作用的断裂主要包括陶枣断裂和峄城断裂。本处断裂属不活动～弱活动断裂，对区域稳定性影响不大，场区内及附近无明显的构造活动，区域地质条件相对稳定。

陶枣断裂位于场区的北部(距离场区约7 km)，西起薛城于山关，经陶庄向东延至长湾，断裂具有多期活动特点，前期受水平南北向挤压，具有压扭性，后期受新华夏系影响，具有张扭性。在元古代、古生代、中生代和新生代有断裂活动，主要为中生代。

峄城断裂位于场区的南部(距场区7 km)，断裂长度约60 km，近东西走向(北西～南东)，倾向向南，为正断层，其断距在1000 m以上，北(下)盘上升，属太古界山草峪组地层，南(上)盘下降，属第三系地层。

据《中国地震动参数区划图》、《建筑抗震设计规范》规定，枣庄地区抗震设防烈度为七度，基本地震加速度值为0.10g，设计抗震分组为第一组，根据地震动峰值加速度分区，场区属地壳稳定区。场区地表水系丰富，地下水属第四系孔隙潜水。由于岩性结构、埋藏条件不同，本区地下水水文地质特性与降水等因素有直接关系，大气降水和地表水体的渗漏为其主要的补给来源。地下水位随季节及气象周期呈周期性变化，年变幅一般在2 m上下，动态类型主要为入渗、开采、径流型。在工程地质勘察期间，测得场区地下水稳定水位为4 m，稳定水位标高在64 m左右。

2 物探与工程钻探实物工作量

2.1 物探工作

物探工作采取高密度电法，电法测试线路呈南北向布设，每10 m间距设一个电激点，南北各向场地外延80 m；东向西存设6条线，间距为20 m。根据物探技术报告，对特别异常区进行划定出预测范围，物探异常深度约10 m左右，深部无物探异常，未发现采空现象。

2.2 工程地质钻探

经过工程地质钻探，采煤空洞位置基本在9～12 m，位于泥岩层。按照勘察规范要求，详细勘察按建筑物轮廓线布设，孔位间距15～30 m，物探异常区，场地条件复杂，取小值15 m间距。重点异常区，可据实增加钻探工作量；结合物探资料，确定孔深至中风化泥岩，深约15～20 m。

2.3 工程地质地层分层情况

本场区上部为第四系冲洪积堆积物土层，下部为揭露石炭泥岩(采空洞位于本层)，自上而下地层分布如下：

①素填土，灰褐色或棕黄色，松散～稍密，土质以黏性土和回填的花岗岩风化岩为主，含有少量的碎石块、灰渣、砂粒等，局部为杂填土，厚度0.70～3.30 m；

②粉质黏土，褐黄色、浅黄色或棕黄色，可塑～硬塑，厚度1.80～5.90 m；

②1和②2软弱夹层，主要成份为粉质黏土，褐黄色、浅黄色或棕黄色，软塑～可塑，层厚1.5～3.0 m；

③含砂粉质黏土，灰黄色、浅黄色、棕黄色，呈可塑～硬塑状态，含有较多的中粗砂粒和少量砾石，局部有富集现象，偶见10～40 mm的碎石，层厚0.60～4.10 m；

④风化泥岩，褐黄色、灰白色，硬塑～坚硬，岩心呈碎块和短柱状，原岩结构已被破坏，局部风化成黏土状，最大揭露厚度9.95 m。本层揭露有煤层，在地基压缩层内，出现多处空洞，经钻孔揭露，空洞为半充填或无充填，充填物为破碎泥岩、煤矸石、煤渣、碎屑，并夹有粉质黏土。

3 项目场地地质灾害类型及处理方案

方案采用首先下部采空注浆，然后对上部土层进行复合地基处理的方式。经工程地质钻探分析，处理方案的重点是软弱土层及采空区，工程处理分上部及下部。

3.1 上部软弱粉质黏土

建筑地基处于第②层，地基承载力为120 kPa，②1和②2软弱土层的承载力为90 kPa，运用地基处理规范，方案比对及计算可知，利用深层水泥土搅拌桩进行地基处理，处理后承载力可达180 kPa以上，软弱层及上部3 m进行复喷处理，提高水泥土中水泥含量，确保桩体强度。

3.2 下部泥岩采空区

注浆施工通过压力泵利用水泥砂浆对采空区进行充填，防止上部受力后空洞坍塌，避免不均匀沉降现象发生。

4 注浆施工工艺

4.1 注浆施工的工艺流程

注浆工艺流程为：定位→钻机成孔→孔口止浆→注浆→观察注浆。

4.1.1 定位

考虑到地层上部的土层必须进行固定注浆管，影响注浆效果；以整幢楼为治理单元，注浆孔间距在5 m左右，呈菱形布置；每次注浆管放至钻孔空洞处，以保证注浆效果。

4.1.2 钻机成孔

按照设计要求，主要处理15 m深度范围内的异常情况，孔深15 m，孔径130 mm，采用DPP- 100钻机，螺旋钻具干作业成孔。

4.1.3 孔口止浆

孔口预埋注浆管，实行封管止浆；每次注浆管放至钻孔空洞处，近位注浆保证注浆效果。用1∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂浆固定注浆管，凝固后进行试压。

4.1.4 注浆控制

每个注浆孔必须钻探与灌注相结合，完孔如为采空区，通过注浆站立即对该采空进行注浆作业。注浆开始后，注意观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中的各类情况，根据实际情况进行分析，及时调整注浆量和浆液浓度，砂浆强度等级不低于M15。注浆应采用间歇注浆，注浆时要注意观察地表的变形情况，如发现裂缝弥合、地面隆起、局部冒浆等现象，要采取间歇注浆以保证采空填充质量。注浆结束后，使用灰浆封孔。

4.1.5 终止注浆

单孔注浆结束标准是：注浆末期，泵压逐渐升高，泵单位吸浆量逐渐减少。当泵的吸浆量小于75 L/min，孔口压力在1.2 MPa左右，稳定5分钟结束该孔的注浆施工；注入一定浆量，孔口压力大于0.3 MPa结束注浆。

4.2 注浆施工的工艺要求

(1)注浆材料由水、水泥、砂组成，水灰比1∶1.0～1∶1.2，搅拌均匀。水采用城市用自来水；水泥采用普通矿渣硅酸盐水泥；砂选用质地坚硬的天然砂或人工砂，粒径不大于2.5 mm，有机物含量小于3%。

(2)灌浆系统由料场、1级搅拌池、2级搅拌池、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。

(3)注浆施工采用先外围后中间的方法，有效地使充填料充填在设计治理范围内。

(4)出现地表裂隙、跑浆现象，必须结束注浆施工。

5 复合地基处理(水泥土搅拌法)施工工艺

5.1 水泥土深层搅拌法施工工艺流程

①搅拌机械就位、调平；②预搅下沉至设计加固深度；③边喷浆(粉)、边搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；④重复搅拌下沉至设计加固深度；⑤根据设计要求，喷浆(粉)或仅搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；⑥关闭搅拌机械。

5.2 水泥土深层搅拌法施工工艺要求

①施工前进行必要的场地整平，确保桩机设备安装安全；②按设计图纸要求进行桩位布设，确保满足桩位误差规定；③施工过程中进行上部复喷复搅，确保水泥土含量不少于60 kg/m；④桩顶标高以上0.5 m为有效桩头，目的是为了保证桩身质量，提高桩身抗压强度；⑤施工完成后进行必要的浇水养护，保证水泥土深层搅拌桩的正常养护要求。

6 检测与验收

6.1 水泥土搅拌桩的施工质量检验方法

(1)成桩后 3天,用轻型动力触探检查上部桩身的均匀性，检查数量为总桩数的 1%，且不少于 3 根。

(2)成桩 7天后，开挖浅部桩头进行检查，开挖深度宜超过停浆(灰)面下 0.5 m，目测检查搅拌的均匀性，测量成桩直径，检查量为总桩数的 5%。

(3)成桩后 28天，用双管单动取样器钻取样，检验搅拌均匀性和水泥土抗压强度，检验数量为总桩数的 0.5%，且不少于 6 点。钻取岩心困难时，可采用单桩抗压静载荷试验检验桩身的质量。

6.2 竖向承载水泥土搅拌桩复合地基验收

基槽开挖后，应检验桩位、桩数与桩顶质量，不符合设计要求，应采取有效补强措施。采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验检验符合地基的承载力。

6.3 载荷试验

载荷试验必须在成桩后 28天进行，而且要在桩身强度满足试验荷载条件下。检验数量为总数的 0.5%～1%，其中每单项工程单桩复合地基载荷试验的数量不少于 3 根(多头搅拌为 3 组)，其余可进行单桩静载荷试验或单桩、多桩复合地基载荷试验。

6.4 注浆质量检测

注浆施工结束1个月后，采用钻探取样检测注浆质量，检测位置布设于注浆孔之间，有疑点的部位可以增加钻孔进行取样检测；按注浆孔总数的2%设置检查孔，检查深度为15 m。

6.5 处理效果分析

通过钻孔取心直接观察浆液的充填情况，结合钻探过程循环液的漏失情况以及孔壁的稳定性评价注浆质量情况。所取岩心可见裂隙已被水泥浆充填，局部空洞见已凝固的水泥块体，经过全面研究分析，最终确定注浆质量是合格的。

6.6 综合验收评价

按照地层揭露见泥岩深度6.5 m左右，地下水位深度4 m，地基开挖深度1 m，软弱层厚度为2～3 m，底板深度4 m，局部有出露。依据地质情况综合当地施工经验确定地基处理方式，采用水泥土搅拌干法施工进行复合地基处理。按地基处理规范确定水泥土搅拌桩参数，桩间距1.2 m，搅拌桩有效桩长5.5 m，桩径500 mm，水泥量60 kg/m，上部3 m及软弱层进行二次复搅。检测方式为钻探取样与静载荷试验相结合方式。检测结果满足设计要求，复合地基承载力达到180 kPa以上。